KR101013494B1 - Recess waveguide microwave chemical plant for production of ethene from natural gas and the process using said plant - Google Patents
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Abstract
천연가스로부터 에텐을 생산하기 위한 리세스 도판관 마이크로파 화학설비 및 이 설비를 사용하여 에텐을 생산하는 방법이 개시되어 있다. 상기 설비는 리세스 도파관(1), 상기 리세스 도파관(1)의 좌측에 마련된 모드 변환기 및 커플링 오리피스 플레이트(2), 상기 리세스 도파관(1)의 우측에 마련된 단락 플런저(3) 및 상기 리세스 도파관(1)을 가로질러 마련된 화학 반응기(4)를 구비한다.A recess waveguide microwave chemical plant for producing ethene from natural gas and a process for producing ethene using the plant are disclosed. The installation comprises a recess waveguide (1), a mode converter and coupling orifice plate (2) provided on the left side of the recess waveguide (1), a short circuit plunger (3) provided on the right side of the recess waveguide (1) and the A chemical reactor 4 is provided across the recess waveguide 1.
에텐, 천연가스, 리세스 도파관, 마이크로파, 메탄 Ethene, natural gas, recess waveguide, microwave, methane
Description
본 발명은 공진 공동형 리세스 도파관 마이크로파 화학 설비를 사용하여 천연 가스로부터 에텐(ethene)을 생산하는 방법에 관한 것으로, 본 발명은 공진 공동형 리세스 도파관 마이크로파 화학 설비를 사용하여 천연 가스로부터 에텐을 생산하는 마이크로파 기술의 기술 분야에 속한다.The present invention relates to a method for producing ethene from natural gas using a resonant cavity recessed waveguide microwave chemical plant, and the present invention relates to ethene from natural gas using a resonant cavity recessed waveguide microwave chemical plant. It belongs to the technical field of producing microwave technology.
에텐은 화학 산업에서 가장 중요한 기초 원료 물질 중 하나이며, 이는 또한 세계적으로 최대 생산량을 갖는 화학 생성물 중 하나이기도 하다. 에텐은 다양한 유기 화학 제품 및 합성 물질을 생산하기 위한 기초 원료 물질이다.Ethene is one of the most important basic raw materials in the chemical industry, which is also one of the largest production chemicals in the world. Ethene is the basic raw material for producing various organic chemicals and synthetic materials.
현재 에텐을 생산하는 세계적인 산업적 공정은 주로, 경유 또는 나프타를 고온에서 크래킹시키는 것을 포함한다. 다량의 석유가 매년 소비되고 있으며, 지상의 석유 자원은 나날이 감소되고 있는 추세이다.Current global industrial processes for producing ethene include mainly cracking diesel or naphtha at high temperatures. Large quantities of oil are consumed every year, and the ground's oil resources are decreasing day by day.
밝혀진 세계 천연 가스 비축량은 약 134 ×1012 ㎥이며, 최근 발견된 큰 천연 가스 매장 지대의 수는 계속해서 증가하고 있다. 천연 가스가 에텐을 생산하기 위해 석유를 대체하도록 사용된다면, 석유 요구량에 대한 압박은 상당히 경감될 수 있을 것이며, 천연 가스 화학 산업의 발전이 또한 도모될 수 있다.The world's natural gas reserves found are about 134 × 10 12 m3, and the number of recently discovered large natural gas reserves continues to increase. If natural gas is used to replace petroleum to produce ethene, the pressure on petroleum requirements can be significantly alleviated, and the development of the natural gas chemical industry can also be promoted.
메탄은 건조 천연 가스의 주 성분(90% 초과)이다; 편의상, 여기서부터 본 발명의 끝에 이를 때까지, 때때로 메탄은 천연 가스 대신 언급되기도 한다.Methane is the main component of dry natural gas (greater than 90%); For convenience, methane is sometimes referred to instead of natural gas from here until the end of the present invention.
세계적인 실험실 수준의 연구에서는, 메탄을 에탄으로 전환시키기 위해 2가지의 통상적인 가열 방법, 즉 간접 방법 및 직접 방법이 사용되고 있다. 상기한 간접 방법은 (1) 에텐이 메탄으로부터 메탄올을 경유하여 생성되는 것, 또는 (2) 에텐이 메탄으로부터 합성 가스를 경유하여 생성되는 것으로 이루어지는데, 전자의 방법은 가스 생성 동안에 에너지 소비가 많다는 단점이 있고, 후자의 방법에서는 반응 공정 동안에 메탄의 재생을 억제하는 방법에 관한 문제가 해소되어야 한다.In world-class laboratory studies, two conventional heating methods, indirect and direct methods, are used to convert methane to ethane. The indirect method described above consists of (1) ethene being produced from methane via methanol, or (2) ethene is produced from methane via synthesis gas. The former method is said to consume a lot of energy during gas production. There is a disadvantage, and the latter method has to solve the problem of how to suppress the regeneration of methane during the reaction process.
직접 방법에서의 가장 중요한 문제는 메탄의 산화 커플링이다. 1982년에, UCC(US)로부터 지. 이. 켈러(G. E. Keller) 및 엠. 엠. 바신(M. M. Bhasin)은 최초로 메탄의 촉매 산화 커플링을 통한 에텐 생성의 결과를 공표하였다. 이후, 연구자들은 세계적으로 주로 2가지 측면, 즉 (1) 고품질의 촉매를 찾고, (2) 반응기를 개선시키는 측면에서 연구에 집중하고 있다. 와이. 지앙 등(Y. Jiang etc.)은, 에텐이, 메탄으로부터 에텐의 생산이 경제적으로 실행가능해지도록 40%의 문턱값을 초과하는 단일 통과 수율(single-pass yield)를 가져야 한다고 믿고 있다. 그러나, 오늘날까지, 에텐의 단일 통과 수율은 여전히 30% 미만이다.The most important problem in the direct method is the oxidative coupling of methane. In 1982, from UCC (US). this. G. E. Keller and M. M. M. M. Bhasin first published the result of ethene production through catalytic oxidative coupling of methane. Since then, researchers have been focusing on research mainly in two aspects: (1) finding high quality catalysts, and (2) improving reactors. Why. Jiang et al. Believe that ethene should have a single-pass yield that exceeds the 40% threshold in order for the production of ethene from methane to be economically viable. However, to date, the single pass yield of ethene is still less than 30%.
따라서, 통상적인 가열 방법을 통해 메탄으로부터 에텐을 생산하는 것은 여전히 연구 단계에 머물러 있으며, 양호한 경제적 이점을 지니면서 산업적 생산을 달성하기 위한 방법은 여전히 이용불가능하다. Thus, the production of ethene from methane through conventional heating methods is still in the research stage, and methods for achieving industrial production with good economic advantages are still unavailable.
메탄으로부터 에텐을 생산하는 다른 방법은 플라즈마 화학적 방법을 포함하는 마이크로파 화학 방법이다. 이러한 마이크로파 화학적 반응은 하기한 2가지의 현저한 이점을 갖는다: (1) 화학적 반응속도가 상당히 개선된다; (2) 통상적인 열역학의 견지에서 실행하기 어려운 반응도 상대적으로 용이하게 실행될 수 있다. 메탄은 가장 안정한 구조를 갖는 유기 분자이며, 산소의 부재 하에서 탈수소화 커플링을 통해 메탄으로부터 에텐을 생산하는 반응은 단지 1400℃의 고온에서 수행될 수 있다. 그러나 마이크로파 화학적 방법을 이용하면, 메탄은 에텐으로 용이하게 분해될 수 있다. 세계적으로 발표된 문헌에 따르면, 에텐의 단일 통과 수율이 이미 30%에 도달했고, 이것은 통상적인 가열 방법으로 얻어진 단일 통과 수율보다 더 높은 것이긴 하지만, 상기 단일 통과 수율은 경제적 실행가능성을 위해 세계적으로 증명된 문턱값인 40%보다 여전히 낮은 것이다.Another method of producing ethene from methane is microwave chemistry, including plasma chemistry. This microwave chemical reaction has two significant advantages: (1) the chemical reaction rate is significantly improved; (2) Reactions that are difficult to carry out in terms of conventional thermodynamics can also be carried out relatively easily. Methane is the most stable organic molecule, and the reaction of producing ethene from methane through dehydrogenation coupling in the absence of oxygen can only be carried out at high temperatures of 1400 ° C. However, using microwave chemical methods, methane can be easily broken down into ethene. According to internationally published literature, the single pass yield of ethene has already reached 30%, which is higher than the single pass yield obtained with conventional heating methods, but the single pass yield is global for economic viability. It is still below the proven threshold of 40%.
이용가능한 마이크로파 화학 실험은 주로 직사각형의 도파관, 또는 직사각형의 도파관으로 형성된 공진 공동 내에서 실시되고 있는데, 이와 같은 화학 실험은 여전히 직사각형의 도파관에 제한되어 있다; 마이크로파 화학적 방법으로 메탄(천연 가스)으로부터 에텐을 생산하는데 있어서의 애로사항에는 하기 것들이 포함된다:Available microwave chemistry experiments are conducted mainly in rectangular waveguides, or in resonant cavities formed of rectangular waveguides, which are still limited to rectangular waveguides; Difficulties in producing ethene from methane (natural gas) by microwave chemical methods include:
(1) 마이크로파 화학 반응을 위한, 작은 공진 공동의 부피;(1) the volume of a small resonant cavity for microwave chemical reactions;
(2) 공급 가스인 메탄(천연 가스)의 낮은 유속;(2) low flow rates of the feed gas methane (natural gas);
(3) 40% 미만의 에텐의 단일 통과 수율.(3) Single pass yield of less than 40% ethene.
따라서, 현재까지, 기술적 배경은, 에텐이 통상적인 가열 방법 또는 마이크로파 화학적 방법으로 메탄(천연 가스)으로부터 생성되더라도, 작은 공동 부피, 낮은 메탄 유속, 및 낮은 에텐의 단일 통과 수율을 포함하는 3가지 애로사항은 계속적으로 해결되어야 한다는 것에 있다. 세계적으로 익히 공지되어 있는 이러한 애로사항은 수십년 동안 다수의 과학자에 의해 집중적으로 연구되었으나 여전히 미해결 상태이다.Thus, to date, the technical background has three difficulties, including small co-volume, low methane flow rate, and low ethene single pass yield, although ethene is produced from methane (natural gas) by conventional heating or microwave chemical methods. The problem is that it must be solved continuously. This well-known problem worldwide has been intensively studied by many scientists for decades but is still unresolved.
기술적 어려움: 당업계에서의 상기한 단점을 해소하기 위한 본 발명의 과제는, 천연 가스로부터 에텐을 생산하기 위한 공진 공동형 리세스 도파관 마이크로파 화학 설비, 및 화학 산업적 생산을 위한 이의 생산 방법을 제공하는 것이며, 이러한 본 발명의 과제에 의해 낮은 비용 및 높은 효율로 천연 가스로부터 에텐을 생산할 수 있다. Technical Difficulties : An object of the present invention to solve the above disadvantages in the art is to provide a resonant cavity-type recess waveguide microwave chemical plant for producing ethene from natural gas, and a method for producing the same for chemical industrial production. With the object of the present invention, ethene can be produced from natural gas with low cost and high efficiency.
기술적 설계: 본 발명의 천연 가스로부터 에텐을 생산하기 위한 공진 공동형 리세스 도파관 마이크로파 화학 설비는, 리세스 도파관, 모드 변환기 및 커플링 오리피스 플레이트, 조절가능한 단락(short-circuiting) 플런저 (또는 고정된 단락 플레이트), 및 화학 반응기로 형성되며; 여기서, 리세스 도파관이 본체로 제공되고, 모드 변환기 및 커플링 오리피스 플레이트가 리세스 도파관의 좌측에 제공되고, 조절가능한 단락 플런저 (또는 고정된 단락 플레이트)는 리세스 도파관의 우측에 제공되며, 화학 반응기는 리세스 도파관을 가로질러 위치하고 있다. Technical design : The resonant cavity-type recess waveguide microwave chemical plant for producing ethene from natural gas of the present invention comprises a recess waveguide, a mode converter and coupling orifice plate, an adjustable short-circuiting plunger (or fixed Short circuit plate), and a chemical reactor; Here, a recess waveguide is provided to the body, a mode converter and a coupling orifice plate are provided on the left side of the recess waveguide, and an adjustable shorting plunger (or fixed shorting plate) is provided on the right side of the recess waveguide, The reactor is located across the recess waveguide.
상기한 리세스 도파관은, 원형 리세스 도파관, 타원형 리세스 도파관, 직사각형 리세스 도파관, 사다리꼴 리세스 도파관, V자 형상 리세스 도파관, 또는 임의 형태의 단면을 갖는 도파관으로 지칭된다. 작업 중인 파장과 관련된 쐐기형의 고전력 정합 로드 (드라이 로드 또는 워터 로드)가, 리세스 도파관의 2개 윙 부분에서 금속 평행 평면 플레이트의 말단 부분에 가해진다. 리세스 도파관의 마이크로파 작업 주파수는 0.3 내지 22 GHz 내이다. 상기 리세스 도파관은 연속파 또는 펄스파로 작동될 수 있다.Such recess waveguides are referred to as circular recess waveguides, elliptical recess waveguides, rectangular recess waveguides, trapezoidal recess waveguides, V-shaped recess waveguides, or waveguides having any shape of cross section. A wedge shaped high power matching rod (dry rod or water rod) associated with the working wavelength is applied to the distal portion of the metal parallel flat plate at the two wing portions of the recess waveguide. The microwave working frequency of the recess waveguide is within 0.3 to 22 GHz. The recess waveguide can be operated in a continuous wave or a pulse wave.
리세스 도파관은 좌측 금속 평면 플레이트, 우측 금속 평면 플레이트, 쐐기형 정합 로드, 절연 스트립, 및 컷오프 도파관을 포함한다. 상기한 좌측 금속 평면 플레이트 및 우측 금속 평면 플레이트는 형태상으로 대칭형이며; 절연 스트립은 좌측 금속 평면 플레이트와 우측 금속 평면 플레이트 사이의 양 측면에 각각 배열되며; 쐐기형 정합 로드는 절연 스트립의 내부측에 배열되며; 좌측 금속 평면 플레이트와 우측 금속 평면 플레이트 사이에 공간이 형성되고; 리세스 도파관의 말단 면의 좌측 및 우측 금속 평면 플레이트의 말단면의 대칭 중심에 상기 평면 플레이트의 길이 방향을 따라 관통홀(through hole)이 배열된다.The recess waveguide includes a left metal flat plate, a right metal flat plate, a wedge-shaped matching rod, an insulating strip, and a cutoff waveguide. The left metal flat plate and the right metal flat plate are symmetric in shape; Insulating strips are respectively arranged on both sides between the left metal flat plate and the right metal flat plate; The wedge-shaped mating rod is arranged inside the insulating strip; A space is formed between the left metal flat plate and the right metal flat plate; Through holes are arranged along the longitudinal direction of the flat plate at the centers of symmetry of the end faces of the left and right metal flat plates of the end faces of the recess waveguides.
편의를 위해, 여기서부터 본원의 명세서 끝에 이를 때까지, 원형 리세스 도파관이 여러 리세스 도파관을 설명하기 위한 예로서 채택된다.For convenience, circular recess waveguides are employed as examples for describing various recess waveguides from here until the end of the specification herein.
모드 변환기는, 마이크로파 공급원으로부터 도파관 내로의 마이크로파 입력 모드를, 리세스 도파관의 요건을 충족하는 요구되는 마이크로파 모드로 전환시키는데 사용된다. 이것은, 한 단계 변환기, 또는 직렬로 연결된 다-단계 변환기를 사용함으로써 달성될 수 있다. 커플링 오리피스 플레이트는 마이크로파 공급원의 에너지를 공진 공동 내로 결합시키는데 사용되며, 이 오리피스 플레이트는 모드 변환기의 입력 말단 또는 출력 말단에 배치될 수 있거나, 다-단계 변환기 사이에 배치될 수 있다. 상기 언급한 2가지의 기능을 수행하기 위해, 다수개의 조합 설계가 이용가능하다; 여기서는 단 하나의 설계가 하기한 바와 같이 설명을 위한 예로서 채택된다.The mode converter is used to convert the microwave input mode from the microwave source into the waveguide into the required microwave mode that meets the requirements of the recess waveguide. This can be accomplished by using a single stage converter, or a multi-stage transducer connected in series. The coupling orifice plate is used to couple the energy of the microwave source into the resonant cavity, which orifice plate can be disposed at the input end or the output end of the mode converter, or can be arranged between the multi-stage transducers. In order to perform the two functions mentioned above, a number of combination designs are available; Only one design is employed here as an example for explanation as follows.
모드 변환기 및 커플링 오리피스 플레이트는 제 1 변환기, 플랜지, 제 2 변환기, 및 커플링 오리피스 플레이트를 포함한다. 상기한 제 1 변환기는 직사각형 도파관 내지 원형 도파관 변환기이다. 제 2 변환기는 상부 절연 스트립, 하부 절연 스트립, 상부 쐐기형 정합 로드, 하부 쐐기형 정합 로드, 좌측 금속 평면 플레이트, 및 우측 금속 평면 플레이트를 포함하며; 여기서 상부 절연 스트립, 하부 절연 스트립, 상부 쐐기형 정합 로드, 하부의 쐐기형 정합 로드, 좌측 금속 평면 플레이트, 및 우측 금속 평면 플레이트로 형성된 형태는 리세스 도파관에 일치한다. 리세스 도파관과 연결된 중심 관통홀은 절두체 형태로 되어 있다. 절두체의 중심 관통홀의 외부측은 제 1 변환기와 연결되고, 제 1 변환기의 외부 말단은 플랜지와 연결되고, 커플링 오리피스 플레이트는 플랜지 상에 제공된다.The mode transducer and coupling orifice plate include a first transducer, a flange, a second transducer, and a coupling orifice plate. The first transducer described above is a rectangular waveguide to circular waveguide transducer. The second transducer comprises an upper insulating strip, a lower insulating strip, an upper wedge matched rod, a lower wedge matched rod, a left metal flat plate, and a right metal flat plate; Wherein the shape formed of the upper insulation strip, the lower insulation strip, the upper wedge matched rod, the lower wedge matched rod, the left metal flat plate, and the right metal flat plate is consistent with the recess waveguide. The central through hole connected to the recess waveguide is frustum shaped. The outer side of the central through hole of the frustum body is connected with the first transducer, the outer end of the first transducer is connected with the flange, and the coupling orifice plate is provided on the flange.
단락 플런저는 공진 공동의 중요 부분이며, 이 플런저는 2개의 형태를 지닌다: 조절가능한 단락 플런저 또는 고정된 단락 플레이트. 여기서는, 상기한 조절가능한 단락 플런저가 설명을 위한 예로서 채택된다.The shorting plunger is an important part of the resonant cavity, which has two forms: an adjustable shorting plunger or a fixed shorting plate. Here, the above-mentioned adjustable short circuit plunger is adopted as an example for explanation.
조절가능한 단락 플런저는 제 1 단락 플런저 금속 플레이트, 제 2 단락 플런저 금속 플레이트, 제 3 단락 플런저 금속 플레이트, 제 1 원형 절연 개스킷, 제 2 원형 절연 개스킷, 중공 원형 관, 금속 원형 막대, 슬리브, 및 금속 평면 플레이트를 포함하고; 여기서, 상기 제 1 단락 플런저 금속 플레이트, 제 2 단락 플런저 금속 플레이트, 제 3 단락 플런저 금속 플레이트, 제 1 원형 절연 개스킷, 및 제 2 원형 절연 개스킷은 서로 이격되어 있고, 이의 중심은 중공 원형 관의 일단부에 고정되며; 중공 원형 관의 타단부는 슬리브 내에 배치되며; 상기 슬리브는 금속 평면 플레이트의 중심에 고정되고; 금속 원형 막대는 중공 원형 관의 중간에 위치한다.The adjustable shorting plunger includes a first shorting plunger metal plate, a second shorting plunger metal plate, a third shorting plunger metal plate, a first circular insulating gasket, a second circular insulating gasket, a hollow circular tube, a metal circular rod, a sleeve, and a metal A flat plate; Here, the first short plunger metal plate, the second short plunger metal plate, the third short plunger metal plate, the first circular insulated gasket, and the second circular insulated gasket are spaced apart from each other, the center of which is one end of the hollow circular tube. Fixed to the part; The other end of the hollow circular tube is disposed in the sleeve; The sleeve is fixed to the center of the metal flat plate; The metal circular rod is located in the middle of the hollow circular tube.
화학 반응기는 저손실 물질로 제조된 반응기, 상단 커버, 하단 커버, 가스 유입관, 가스 유출관, 가진기(exciter), 및 랭뮤어 탐침(Langmuir probe)을 포함하고; 여기서 상기 상단 커버, 가스 유입관, 하단 커버, 및 가스 유출관은 각각 화학 반응기의 양 말단에 위치하고; 가진기는 화학 반응기의 중간에 위치하며; 랭뮤어 탐침은 화학 반응기 내에 배열되고 상단 커버 상에 고정된다.The chemical reactor comprises a reactor made of a low loss material, a top cover, a bottom cover, a gas inlet tube, a gas outlet tube, an exciter, and a Langmuir probe; Wherein the top cover, the gas inlet tube, the bottom cover, and the gas outlet tube are each located at both ends of the chemical reactor; The exciter is located in the middle of the chemical reactor; The Langmuir probe is arranged in a chemical reactor and fixed on the top cover.
상기한 공진 공동형 리세스 도파관 마이크로파 화학 설비를 사용하여 천연 가스로부터 에텐을 생산하는 방법은 하기 단계를 포함한다:The method for producing ethene from natural gas using the resonant cavity-type recess waveguide microwave chemical plant described above comprises the following steps:
(1) 0.3 내지 22 GHz 이내의 작업 주파수를 갖는 대규모의 공진 공동형 리세스 도파관 마이크로파 화학 설비를 채택하는 단계;(1) adopting a large-scale resonant cavity-type recess waveguide microwave chemical plant having a working frequency within 0.3 to 22 GHz;
(2) 상기한 공진 공동형 리세스 도파관 마이크로파 화학 설비가 공명 상태가 되게 하고 반응기는 진공 상태가 되게 하는 단계;(2) causing the resonant cavity-type recess waveguide microwave chemical plant to be in resonance and the reactor to be in vacuum;
(3) 보조 가스로서 수소를 선택하는 단계;(3) selecting hydrogen as auxiliary gas;
(4) 공급 천연 가스 및 보조 수소 가스의 압력을 1 내지 20 atm으로 조절하고, 이들 가스를, 서로 다른 가스의 유속을 계량하기 위한 서로 다른 유량계를 경유하여 반응기 내로 개별적으로 도입시키는 단계;(4) adjusting the pressures of the feed natural gas and auxiliary hydrogen gas to 1 to 20 atm, and introducing these gases separately into the reactor via different flowmeters for metering flow rates of different gases;
(5) 공급 천연 가스 및 보조 수소 가스의 유속 비, 즉 천연 가스: 수소 가스의 비를 50:1 내지 1:20으로 채택하는 단계;(5) adopting a flow rate ratio of feed natural gas and auxiliary hydrogen gas, that is, a ratio of natural gas: hydrogen gas, from 50: 1 to 1:20;
(6) 가스 혼합물 캐비넷 중에서 공급 천연 가스와 보조 수소 가스를 혼합시키고, 공급 가스 유입관 및 상단 커버를 통해 공진 공동형 리세스 도파관 마이크로파 화학 설비의 석영 반응기 내로 도입하는 단계;(6) mixing a feed natural gas and an auxiliary hydrogen gas in a gas mixture cabinet and introduce it through a feed gas inlet and a top cover into a quartz reactor of a resonant cavity-type recess waveguide microwave chemical plant;
(7) 석영 반응기 중의 혼합 가스의 전체 압력을 1 ×10-4 내지 20 atm으로 조절하고, 석영 반응기 중의 혼합 가스의 전체 압력을 공급 천연 가스 및 보조 수소 가스의 압력보다 약간 더 낮게 만드는 단계;(7) adjusting the total pressure of the mixed gas in the quartz reactor to 1 × 10 −4 to 20 atm and making the total pressure of the mixed gas in the quartz reactor slightly lower than the pressure of the feed natural gas and auxiliary hydrogen gas;
(8) 마이크로파 공급원의 전원을 가동시키고, 마이크로파 출력 전력을 보조 가스 타입, 유속 비, 및 가스 혼합물 압력에 따라 수십 와트 내지 수백 킬로와트로 조절하고, 석영 반응관 중의 가스 혼합물을 방전시켜서 마이크로파 플라즈마를 생성시키는 단계로서, 여기서 방전 조건은 랭뮤어 탐침 및 컷오프 도파관으로부터 인지될 수 있는 단계;(8) Turn on the power of the microwave source, adjust the microwave output power from tens of watts to several hundred kilowatts according to the auxiliary gas type, flow rate ratio, and gas mixture pressure, and discharge the gas mixture in the quartz reaction tube to generate a microwave plasma. Wherein the discharge condition can be recognized from the Langmuir probe and the cutoff waveguide;
(9) 이후, 마이크로파 출력 전력을 미세하게 조정하여 요구되는 생성물을 수득하는 단계로서, 여기서 요구되는 생성물인 액체 상태의 에텐이 응축 트랩(condensation trap)에서 수거될 수 있는 단계.(9) thereafter, finely adjusting the microwave output power to obtain the required product, wherein the liquid ethene, which is the required product, can be collected in a condensation trap.
본 발명은 전자기장 이론, 마이크로파 기술, 플라즈마 기술, 및 화학공학 원리에 따라 설계된 것이다. 천연 가스로부터 에텐을 생산하기 위한 상기한 공진 공동형 리세스 도파관 마이크로파 화학 설비는 도 1에 도시되어 있다. 작업 원리는 다음과 같다: 전원으로부터 발생된 마이크로파가 순환기, 방향성 커플러, 및 커플링 오리피스 플레이트를 통해 상기한 리세스 도파관 공명 공동 내로 입력되고, 화학 반응기의 반응관은 이의 2개의 윙 부분을 따라 리세스 도파관을 통해 형성되고, 공진 공동은 공명 상태에 있도록 허용되며; 천연 가스는 반응관의 일단으로부터 상기한 공진 공동 내로 유동하고, 자유 전자는 마이크로파 전자기장의 작용 하에 에너지를 획득하여 메탄 분자 및 수소 분자와 비탄력적으로 충돌하여 더욱 많은 전자를 발생시키고, 새롭게 발생된 자유 전자들은 다시 에너지를 획득하여 메탄 분자와 수소 분자와 충돌하여 다시 더욱 많은 전자를 발생시켜 전자 사태 현상을 발생시키며, 여기서 자유 전자는 전반적으로 전기적으로 중성인 플라즈마를 발생시키도록 가스 분해되어 방전될 때까지 사태와 같이 증가한다. 높은 에너지의 전자는 메탄 분자의 C-H 결합, 및 수소 분자의 H-H 결합을 비탄력적 충돌을 통해 분해하여, 활성의 화학적 특성을 갖는 다수의 자유 라디칼을 발생시킨다; 생성물은 이들의 다양한 조합을 통해 생성되고, 생성물의 조성은 가스 크로마토그래피로 확인된다. 생성된 에텐은 공진 공동으로부터 빠져 나와 화학 반응관를 따라 응축 트랩 내로 유동한다.The present invention is designed according to electromagnetic field theory, microwave technology, plasma technology, and chemical engineering principles. The resonant cavity-type recess waveguide microwave chemical plant for producing ethene from natural gas is shown in FIG. 1. The principle of operation is as follows: microwaves from the power source are input into the recess waveguide resonant cavity described above through the circulator, the directional coupler, and the coupling orifice plate, and the reaction tube of the chemical reactor follows the two wing portions thereof. Formed through the sett waveguide, the resonant cavity is allowed to be in resonance; Natural gas flows from one end of the reaction tube into the resonant cavity described above, free electrons acquire energy under the action of microwave electromagnetic fields and inelastically collide with methane and hydrogen molecules to generate more electrons, and newly generated freedom The electrons regain energy and collide with methane and hydrogen molecules to generate more electrons, causing an avalanche, where the free electrons are gas decomposed and discharged to produce an overall electrically neutral plasma. As the situation increases. High energy electrons decompose C-H bonds of methane molecules and H-H bonds of hydrogen molecules through inelastic collisions, generating a number of free radicals with active chemical properties; The product is produced through various combinations of these, and the composition of the product is confirmed by gas chromatography. The resulting ethene exits the resonant cavity and flows along the chemical reaction tube into the condensation trap.
설명의 편의를 위해, 본 발명을 2개 부분, 즉 (1) 도 2에 도시된 바와 같은 공진 공동형 리세스 도파관 마이크로파 화학 설비; (2) 이 공진 공동형 타입의 리세스 도파관 마이크로파 화학 설비를 사용함으로써 천연 가스로부터 에텐을 생산하는 것으로 설명한다. 상세한 설명은 다음과 같다:For convenience of explanation, the invention is divided into two parts: (1) a resonant cavity-type recess waveguide microwave chemical plant as shown in FIG. 2; (2) It is explained that ethene is produced from natural gas by using the recess waveguide microwave chemical equipment of the resonant cavity type. The detailed description is as follows:
1. 공진 공동형 1. Resonant cavity type 리세스Recess 도파관wave-guide 마이크로파 화학 설비 Microwave chemical equipment
(1) (One) 리세스Recess 도파관wave-guide
상기한 리세스 도파관은 원형 리세스 도파관, 타원형의 리세스 도파관, 직사각형의 리세스 도파관, 사다리꼴의 리세스 도파관, V 형태의 리세스 도파관, 또는 임의 형태의 단면을 갖는 도파관을 지칭한다. 작업 파장과 관련된 쐐기형 고전력 정합 로드(드라이 로드 또는 워터 로드)가 리세스 도파관의 2개의 윙 부분에 있는 금속 평행 평면 플레이트의 말단 부분에 가해진다. 리세스 도파관의 마이크로파 작업 주파수는 0.3 내지 22 GHz 내이며, 허용가능한 다양한 상용되거나 산업적인 주파수, 예컨대 0.434 GHz, 0.915 GHz, 2.45 GHz, 또는 5.80 GHz가 세계적으로 채택될 수 있다. 리세스 도파관은 연속파 또는 펄스파로 작동될 수 있으며, 이는 또한 낮은 전력 또는 높은 전력에서 작동될 수 있다. 설명의 편의를 위해, 원형 리세스 도파관이 상세한 설명을 위한 일 예로 채택된다.The recess waveguide refers to a circular recess waveguide, an elliptical recess waveguide, a rectangular recess waveguide, a trapezoidal recess waveguide, a V-shaped recess waveguide, or a waveguide having an arbitrary cross section. A wedge-shaped high power matching rod (dry rod or water rod) associated with the working wavelength is applied to the distal portion of the metal parallel flat plate in the two wing portions of the recess waveguide. The microwave working frequency of the recess waveguide is within 0.3 to 22 GHz, and various acceptable commercial or industrial frequencies such as 0.434 GHz, 0.915 GHz, 2.45 GHz, or 5.80 GHz can be adopted worldwide. The recess waveguide can be operated in continuous or pulsed wave, which can also be operated at low or high power. For convenience of description, a circular recess waveguide is adopted as an example for detailed description.
원형 리세스 도파관은 상부 및 하부 절연 스트립에 의해 이격된 2개의 금속 평면 플레이트를 사용하며, 쐐기형 정합 로드(드라이 로드 또는 워터 로드)가 절연 스트립의 내부측에 끼워진다. 쐐기(wedge)의 높이는 전자기파의 작업 파장 절반의 정 배수(integral multiple)이다. D0의 직경을 갖는 원형 관통홀이 도 2 및 BB 단면도에 도시된 바와 같이, 평면 플레이트의 길이 방향을 따라 2개의 금속 평면 플레이트의 말단 면의 대칭 중심에 배열된다. 원형 형태 구멍의 축 방향은 전자기 파장의 전파 방향이며, 이를 간단히 축 방향이라 부른다. 높은 주파수의 리세스 도파관의 쐐기형 정합 로드는 석영 유리로부터 목적하는 형태로 블로우 성형(blow molded)되고, 도 3에 도시된 바와 같이, 이 로드는 물이 유입되고 유출되는 관을 갖는다. 상기 로드는 다른 형태의 매칭된 워터 로드일 수 있다. 리세스 도파관 절연 스트립은 도 3에 도시된 바와 같이 세라믹 물질로 제조된다. 드라이 로드가 채택되는 경우, 도 3에 도시된 형태 및 크기가 또한 이용된다. 플라즈마 스펙트럼 관찰 구멍이 리세스 도파관의 관통홀의 측벽 상에 형성되어 있다. 컷오프 도파관은 상기 구멍의 외부측에 끼워지고, 이 구멍으로부터 누출된 마이크로파 에너지는 국가 표준 미만이다. 이 구멍은, 이 구멍을 통해, 석영 반응관 내부의 플라즈마에 의해 형성된 빛이 확인될 수 있고, 플라즈마에 의해 형성된 플라즈마 온도 또는 스펙트럼이 측정될 수 있도록 보장해야 한다.The circular recess waveguide uses two metal flat plates spaced by the upper and lower insulating strips, with a wedge-shaped mating rod (dry rod or water rod) fitted inside the insulating strip. The height of the wedge is an integral multiple of the working wavelength of the electromagnetic wave. Circular through holes having a diameter of D 0 are arranged in the center of symmetry of the end faces of the two metal flat plates along the longitudinal direction of the flat plate, as shown in FIGS. 2 and BB. The axial direction of the circular hole is the propagation direction of the electromagnetic wave, which is simply called the axial direction. The wedge-shaped mating rods of the high frequency recess waveguide are blow molded from quartz glass into the desired shape, and as shown in FIG. 3, the rods have tubes into which water enters and exits. The rod may be another type of matched water rod. The recess waveguide insulation strip is made of a ceramic material as shown in FIG. 3. If a dry rod is employed, the shape and size shown in FIG. 3 is also used. A plasma spectrum observation hole is formed on the sidewall of the through hole of the recess waveguide. The cutoff waveguide is fitted on the outside of the hole, and the microwave energy leaked from the hole is below the national standard. This hole must ensure that through this hole the light formed by the plasma inside the quartz reaction tube can be identified and the plasma temperature or spectrum formed by the plasma can be measured.
(2) (2) 모드mode 변환기 및 커플링 Transducer and Coupling 오리피스Orifice 플레이트: plate:
2개의 기능, 즉 모드 전환 및 에너지 결합을 수행하기 위해, 다수의 조합 설계가 이용가능하며, 여기서는 설명을 위해 단 하나의 설계가 채택된다. 모드 변환기 및 커플링 오리피스 플레이트는 제 1 변환기, 제 2 변환기, 플랜지 및 커플링 오리피스 플레이트를 포함한다. 제 1 변환기는 직사각형의 도파관 내지 원형 도파관 변환기이다. 제 2 변환기는 원형 도파관 내지 원형 리세스 도파관 변환기이다. 상기한 제 1 변환기는 직사각형 도파관의 단면을 갖는 일단부, 및 원형 도파관의 단면을 갖는 타단부를 지니고 있으며, 여기서 이들 사이에서의 전이 영역, 즉 직사각형 둘레 상의 모든 지점 및 원주 상의 상응하는 지점들을 직선으로 연결시켜서 형성된 공간은 직선이다. 상기한 제 2 변환기는 원형 도파관의 단면을 갖는 일단부, 및 상이한 직경을 갖는 원형 리세스 도파관의 단면을 갖는 타단부를 구비한다. V 형태의 원형 단면의 일단부의 수직 중심선으로부터 연장됨에 의해 형성된 V 형태의 최대 개구의 2개 지점의 거리는, 원형 리세스 도파관의 2개의 금속 평면 플레이트 사이의 거리와 동등하다. 원형 리세스 도파관 말단의 도파관 벽 상에는 연결 구멍이 형성되어 있다. 직사각형의 도파관 플랜지가 직사각형 도파관의 단면 말단 상에 끼워진다. 커플링 오리피스 플레이트가 플랜지 상에 배열되며, 이것은 유도성 또는 용량성이며, 둥글거나 직사각형이거나 다른 형태로 되어 있을 수 있다. 커플링 오리피스 플레이트는 또한, 공진 공동 내로 마이크로파 에너지를 결합시키기 위해 입력 도파관과 연결되어 있다. In order to perform two functions, namely mode switching and energy combining, a number of combination designs are available, where only one design is employed for illustration. The mode transducer and coupling orifice plate comprise a first transducer, a second transducer, a flange and a coupling orifice plate. The first transducer is a rectangular waveguide to circular waveguide transducer. The second transducer is a circular waveguide to circular recess waveguide transducer. The first transducer has one end having a cross section of a rectangular waveguide, and the other end having a cross section of a circular waveguide, where the transition region between them, ie all points on the rectangular perimeter and corresponding points on the circumference, is straight The space formed by connecting with is straight. The second transducer has one end having a cross section of a circular waveguide and the other end having a cross section of a circular recess waveguide having a different diameter. The distance of the two points of the V-shaped maximum opening formed by extending from the vertical centerline of one end of the V-shaped circular cross section is equal to the distance between two metal flat plates of the circular recess waveguide. A connection hole is formed on the waveguide wall at the end of the circular recess waveguide. A rectangular waveguide flange is fitted on the cross-sectional end of the rectangular waveguide. A coupling orifice plate is arranged on the flange, which is inductive or capacitive and can be round, rectangular or otherwise shaped. The coupling orifice plate is also connected with the input waveguide to couple the microwave energy into the resonant cavity.
(3) 조절가능한 단락 (3) adjustable short circuit 플런저plunger ::
단락 플런저는 공진 공동의 중요 부분이며, 이것은 하기한 2가지 형태를 지닐 수 있다: 조절가능한 단락 플런저 또는 고정된 단락 플레이트. 여기서는 설명을 위한 일 예로서 조절가능한 단락의 플런저를 채택한다.The shorting plunger is an important part of the resonant cavity, which can take two forms: an adjustable shorting plunger or a fixed shorting plate. Here, as an example for explanation, an adjustable short plunger is adopted.
원형 리세스 도파관은 모드 변환기 및 커플링 오리피스 플레이트와 연결된 일단부, 및 공진 공동을 형성시키기 위해 조절가능한 단락 플런저가 장착된 타단부를 구비한다. 상기 조절가능한 단락 플런저는, 도파관 물질과 동일한 물질로 제조될 수 있는, 도파관 말단 면의 중공 패턴의 형태와 동일한 형태를 갖는 금속 평면 플레이트에 의해 형성되며, 이 플런저는 1/4 파장의 두께를 갖는다. 금속 평면 플레이트와 도파관 사이에는 이들을 이격시키기 위해 갭이 존재하고 있으며; 상기 단락 플런저의 금속 평면 플레이트는 하나 이상의 조각으로 형성될 수 있다. 1/4 파장의 두께를 갖는 절연 개스킷이 금속 평면 플레이트를 이격시키는데 사용된다. 상기 절연 개스킷은 리세스 도파관 관통홀의 직경 D0보다 약간 더 작은 직경을 지니며, 세라믹 물질로 제조되고, 중공 원형 관 상에 고정된다. 직경이 중공 원형 관의 직경과 동일한 금속 원형 막대가 중공 원형 관 내에 배치된다. 이 원형 관의 말단 면, 원형 막대의 말단 면, 및 제 1 금속 평면 플레이트는 동일한 평면 내에 있다. 중공 원형 관은 슬리브를 관통하며; 이 슬리브는 리세스 도파관의 말단 면의 금속 평면 플레이트의 대칭 중심에서 구멍을 통과하고 그 위에 고정된다. 중공 원형 관은 기계적 조절 기구와 연결되어, 단락 플런저가 리세스 도파관 내에서 평행하게 이동하게 한다.The circular recess waveguide has one end connected with the mode converter and coupling orifice plate, and the other end equipped with an adjustable shorting plunger to form a resonant cavity. The adjustable shorting plunger is formed by a metal flat plate having the same shape as the shape of the hollow pattern of the waveguide end face, which can be made of the same material as the waveguide material, the plunger having a thickness of 1/4 wavelength. . There is a gap between the metal flat plate and the waveguide to space them apart; The metal flat plate of the shorting plunger may be formed in one or more pieces. An insulating gasket having a thickness of 1/4 wavelength is used to space the metal flat plate. The insulating gasket has a diameter slightly smaller than the diameter D 0 of the recess waveguide through-hole, is made of ceramic material and is fixed on the hollow circular tube. A metal circular rod whose diameter is equal to the diameter of the hollow circular tube is disposed in the hollow circular tube. The end face of this circular tube, the end face of the circular rod, and the first metal flat plate are in the same plane. The hollow circular tube passes through the sleeve; This sleeve passes through the hole at the symmetric center of the metal flat plate of the end face of the recess waveguide and is fixed thereon. The hollow circular tube is connected with a mechanical control mechanism, causing the shorting plunger to move in parallel in the recess waveguide.
(4) 화학 반응기:(4) chemical reactor:
화학 반응기는 마이크로파 및 반응물질이 반응하는 장소이므로, 이 화학 반응기는 원형 리세스 도파관의 공진 공동 내부에 위치해야 한다. 상기 반응기는 석영, 세라믹, 저손실율 유리, 또는 전자기장에서 저 손실율을 갖는 다른 비금속 고체 물질로 제조될 수 있으나, 플라즈마에 의해 형성된 스펙트럼을 용이하게 확인하기 위해서는 투명한 석영으로 제조되는 것이 바람직하다. 상기 화학 반응기는 필요에 따라 원형 관 형태 또는 다른 형태일 수 있는데, 여기서 반응기형태는 화학 반응을 수행하는데 도움이 되어야 하며, 상기 화학 반응기는 리세스 도파관의 공진 공동 내에 수용될 수 있어야 하며, 이 화학 반응기에는 공급 가스용의 유입관 및 생성물용의 가스 유출관이 설치될 수 있어야 한다.Since the chemical reactor is a place where microwaves and reactants react, this chemical reactor should be located inside the resonant cavity of the circular recess waveguide. The reactor may be made of quartz, ceramic, low loss glass, or other nonmetallic solid material with low loss in electromagnetic fields, but is preferably made of transparent quartz to easily identify the spectrum formed by the plasma. The chemical reactor may be in the form of a circular tube or other form as desired, where the reactor form should help to carry out the chemical reaction, and the chemical reactor should be able to be accommodated in the resonant cavity of the recess waveguide, The reactor should be able to be equipped with an inlet tube for the feed gas and a gas outlet tube for the product.
가진기는 화학 반응기 중에 배열되며, 이 가진기는 금속 가진기, 비금속 가진기(반도체를 포함하여), 또는 금속-비금속의 혼합형 가진기일 수 있다. 금속 가진기에 적합한 물질은 텅스텐, 철, 니켈, 또는 이들의 합금을 포함한다. 비금속 가진기에 적합한 물질은 흑연이다. 가진기의 크기 및 형태는 마이크로파 공급원의 작업 주파수와 관련된다.The excitation group is arranged in a chemical reactor, which may be a metal excitation group, a nonmetallic excitation group (including semiconductors), or a mixed excitation group of a metal-nonmetal. Suitable materials for the metal exciter include tungsten, iron, nickel, or alloys thereof. Suitable materials for the nonmetallic excitation group are graphite. The size and shape of the exciter is related to the working frequency of the microwave source.
랭뮤어 탐침은 플라즈마의 파라미터를 측정하기 위해 화학 반응기 중에 배열된다. 이 탐침은 1개, 2개 또는 다수 개일 수 있다. 예를 들어, 2개의 랭뮤어 탐침이 플라즈마 내로 삽입되고, 여기에 전압이 인가되어 전류-전압 특성 곡선을 제공하도록 탐침을 통과하는 전류가 측정되고, 결과적으로 측정된 데이터로부터 플라즈마 밀도 또는 전자 온도와 같은 다양한 파라미터가 얻어진다.The Langmuir probe is arranged in a chemical reactor to measure the parameters of the plasma. The probe may be one, two or many. For example, two Langmuir probes are inserted into the plasma, and a voltage is applied to the current passing through the probe to provide a current-voltage characteristic curve, and as a result, the measured plasma density or electron temperature and the The same various parameters are obtained.
상기 탐침은 고온에 대해 내성이 있는 금속 물질로 제조될 수 있으며, 이 탐침은 대개 플라즈마 파라미터를 측정하면서 마이크로파 방전 및 화학 반응에 대한 영향을 피하기 위해 리세스 도파관의 평면 플레이트 구역 내에 위치한다.The probe may be made of a metallic material that is resistant to high temperatures, which is usually located within the flat plate region of the recess waveguide to avoid the effects on microwave discharges and chemical reactions while measuring plasma parameters.
전체적으로, 공진 공동형 리세스 도파관 마이크로파 화학 설비는 리세스 도파관, 모드 변환기 및 커플링 오리피스 플레이트, 조절가능한 단락 플런저(또는 고정된 단락 플레이트), 및 화학 반응기를 도 2에 따라 조립함으로써 형성된다.In total, a resonant cavity-type recess waveguide microwave chemical facility is formed by assembling a recess waveguide, a mode converter and coupling orifice plate, an adjustable shorting plunger (or fixed shorting plate), and a chemical reactor according to FIG. 2.
2. 공진 공동형 2. Resonant cavity type 리세스Recess 도파관wave-guide 마이크로파 화학 설비를 사용한, 천연 가스로부터 From natural gas using microwave chemical equipment 에텐의Ethen 생산 production
상기한 공진 공동형 리세스 도파관 마이크로파 화학 설비를 사용함으로써 천연 가스로부터 에텐을 생산하는 방법은 하기 단계들을 포함한다:The method for producing ethene from natural gas by using the resonant cavity-type recess waveguide microwave chemical plant described above comprises the following steps:
(1) 0.3 내지 22 GHz 이내의 작업 주파수를 갖는 대규모의 공진 공동형 리세스 도파관 마이크로파 화학 설비를 채택하는 단계로서, 마이크로파 공급원이 연속파 또는 펄스파를 채택할 수 있는 단계;(1) adopting a large-scale resonant cavity-type recess waveguide microwave chemical plant having a working frequency within 0.3 to 22 GHz, wherein the microwave source can adopt continuous or pulsed waves;
(2) 상기한 공진 공동형 리세스 도파관 마이크로파 화학 설비가 공명 상태에 있게 하고 반응기는 진공 상태에 있게 하는 단계;(2) leaving the resonant cavity-type recess waveguide microwave chemical plant in resonance and the reactor in vacuum;
(3) 적절한 보조 가스를 선택하는 단계로서, 수소 가스가 보조 가스로 사용되는 단계;(3) selecting a suitable auxiliary gas, wherein hydrogen gas is used as the auxiliary gas;
(4) 공급 메탄(천연 가스) 및 보조 수소 가스의 압력을 1 내지 20 atm으로 조절하고, 이들 가스를, 서로 다른 가스의 유속을 계량하기 위한 서로 다른 유량계를 통해 반응기 내로 개별적으로 도입시키는 단계;(4) adjusting the pressures of the feed methane (natural gas) and auxiliary hydrogen gas to 1 to 20 atm, and introducing these gases separately into the reactor through different flowmeters for metering flow rates of different gases;
(5) 공급 메탄(천연 가스) 및 보조 수소 가스의 유속 비, 즉 천연 가스: 수소 가스의 비를 50:1 내지 1:20으로 채택하는 단계;(5) adopting a flow rate ratio of feed methane (natural gas) and auxiliary hydrogen gas, that is, a ratio of natural gas: hydrogen gas, from 50: 1 to 1:20;
(6) 가스 혼합물 캐비넷 중에서 공급 메탄(천연 가스)과 보조 수소 가스를 혼합시키고, 이를 공급 가스 유입관 및 상단 커버를 통해 공진 공동형 리세스 도파관 마이크로파 화학 설비의 석영 반응관 내로 도입하는 단계;(6) mixing feed methane (natural gas) and auxiliary hydrogen gas in a gas mixture cabinet and introducing it through a feed gas inlet and a top cover into a quartz reaction tube of a resonant cavity-type recess waveguide microwave chemical plant;
(7) 석영 반응관 중의 혼합 가스의 전체 압력을 공급 메탄(천연 가스) 및 보조 수소 가스의 압력보다 약간 더 낮게 조절하는 단계;(7) adjusting the total pressure of the mixed gas in the quartz reaction tube to be slightly lower than the pressure of feed methane (natural gas) and auxiliary hydrogen gas;
(8) 마이크로파 공급원의 전원을 가동시키고, 마이크로파 출력 전력을 조절하고, 석영 반응기 중의 가스 혼합물을 방전시켜 마이크로파 플라즈마를 생산하는 단계로서, 상기 방전 조건은 랭뮤어 탐침 및 컷오프 도파관으로부터 인지될 수 있는 단계;(8) operating a power source of the microwave source, adjusting the microwave output power, and discharging the gas mixture in the quartz reactor to produce a microwave plasma, wherein the discharge condition can be perceived from a Langmuir probe and a cutoff waveguide ;
(9) 이후, 마이크로파 출력 전력을 미세하게 조정하여 요구되는 생성물을 수득하는 단계로서, 요구되는 생성물인 액체 상태의 에텐이 응축 트랩에서 수거될 수 있는 단계.(9) thereafter, finely adjusting the microwave output power to obtain the required product, wherein liquid ethene, which is the required product, can be collected in the condensation trap.
메탄(천연 가스)으로부터 에텐의 생산시에 높은 단일 통과 수율을 보장하기 위한 중요 인자에는, 공진 공동형 리세스 도파관 마이크로파 화학 설비의 선택, 마이크로파의 전력 세기, 가스 압력, 메탄(천연 가스)과 혼합된 가스(예를 들어, 수소 가스)의 다양성, 및 메탄(천연 가스) 및 보조 수소 가스의 유속 비가 포함된다.Important factors to ensure high single pass yield in the production of ethene from methane (natural gas) include choice of resonant cavity-type recess waveguide microwave chemical plants, microwave power strength, gas pressure, and mixing with methane (natural gas) Variety of gases (eg hydrogen gas), and ratios of flow rates of methane (natural gas) and auxiliary hydrogen gas.
동작 원리: 마이크로파 전자기장에서의 전자가 에너지를 획득하고; 고 에너지의 전자가 가스 분자와 비탄력적으로 충돌하는 경우, 메탄 분자 및 수소 분자의 이온화가 유도되어 전반적으로 전기적으로 중성인 플라즈마가 생산된다. 메탄 분자의 C-H 결합과 수소 분자의 H-H 결합은 고에너지 전자의 비탄력적 충돌을 통해 분해되어 자유 라디칼을 발생시키며; 이러한 자유 라디칼은 매우 활성이고, 이 자유 라디칼은 특정 방식으로 재조합됨으로써 에텐과 같은 신규 물질을 형성시킬 수 있다. 이것이 천연 가스(메탄)로부터 에텐 전환의 원리이며, 이 원리로부터 강력한 전자기장 에너지를 제공할 수 있는 적합한 환경을 형성하는 것이 매우 중요함을 알 수 있으며; 본 발명의 공진 공동형 리세스 도파관 마이크로파 화학 설비는 상기 언급한 요건을 충족할 수 있다. Principle of operation : electrons in a microwave electromagnetic field acquire energy; When high-energy electrons collide inelastically with gas molecules, ionization of methane and hydrogen molecules is induced, producing an overall electrically neutral plasma. CH bonds of methane molecules and HH bonds of hydrogen molecules decompose through inelastic collisions of high-energy electrons to generate free radicals; These free radicals are very active and they can be recombined in certain ways to form new substances such as ethene. This is the principle of the conversion of ethene from natural gas (methane), and it can be seen from this principle that it is very important to create a suitable environment that can provide strong electromagnetic energy; The resonant cavity-type recess waveguide microwave chemical plant of the present invention may meet the above mentioned requirements.
본 발명의 이점:Advantages of the invention:
(1) 현재, 에텐 생산은 원료 물질로 석유를 사용하고 있으나, 이의 장기간의 채굴로 인해, 세계적인 석유 자원은 나날이 감소하고 있는 추세이다. 석유 대신에 천연 가스로부터 에텐을 생산하면 원료 물질에 대한 신규한 접근이 제공되며, 이는 석유 요구량에 대한 압박을 상당히 경감시킬 수 있다. 또한, 세계적인 천연 가스 자원은 상대적으로 풍부하다.(1) Currently, ethene production uses petroleum as a raw material, but due to its long-term mining, global petroleum resources are decreasing day by day. The production of ethene from natural gas instead of petroleum provides new access to raw materials, which can significantly reduce the pressure on petroleum demand. In addition, global natural gas resources are relatively abundant.
(2) 본 발명은 풍부한 천연 가스 자원을 가진 지역에 이용될 수 있으며, 본 발명은 또한 적은 투자, 신속한 설치 및 적은 비용의 이점을 가지며, 이러한 이점은 원료 물질로 에텐을 이용하는 하류부문의 생성물의 비용 감소를 촉진시키고 세계 시장에서의 경쟁력을 개선시킬 수 있다.(2) The present invention can be used in areas with abundant natural gas resources, and the present invention also has the advantages of low investment, quick installation and low cost, which is the cost of the downstream product using ethene as raw material It can promote reduction and improve competitiveness in the global market.
(3) 본 발명은 환경 친화적이다. 마이크로파 방법에 의해 천연 가스로부터 에텐을 생산하는 것은 공급 물질, 생산 공정 및 생성물에서 어떠한 유해한 물질도 관여되지 않는다. 전체적인 생산 공정은 청정 생산이다.(3) The present invention is environmentally friendly. The production of ethene from natural gas by the microwave method involves no harmful substances in the feed materials, production processes and products. The whole production process is clean production.
(4) 본 발명은 천연 가스 화학 산업의 발전에 유익하다.(4) The present invention is advantageous for the development of the natural gas chemical industry.
(5) 마이크로파 기술 분야에서의 다른 도파관 구조와 비교하여, 리세스 도파관은 커다란 크기의 장점을 지니며, 단지 본 발명만이 에텐의 산업적 생산에 적용될 수 있다.(5) Compared with other waveguide structures in the microwave technology field, recess waveguides have a large size advantage, and only the present invention can be applied to the industrial production of ethene.
(6) 본 발명은 어떠한 촉매도 필요로 하지 않는다.(6) The present invention does not require any catalyst.
도 1은 공진 공동형 리세스 도파관 마이크로파 화학 설비를 이용하여 천연 가스로부터의 에텐의 생산을 위한 블럭 다이어그램이다.1 is a block diagram for the production of ethene from natural gas using a resonant cavity-type recess waveguide microwave chemical plant.
도 2는 공진 공동형 리세스 도파관 마이크로파 화학 설비의 전면도 및 단면 도이다.2 is a front and cross-sectional view of a resonant cavity-type recess waveguide microwave chemical plant.
도 3은 공진 공동형 리세스 도파관 마이크로파 화학 설비의 측면도이다. 3 is a side view of a resonant cavity-type recess waveguide microwave chemical plant.
도 4는 공진 공동형 리세스 도파관 마이크로파 화학 설비의 BB 단면도이다. 4 is a BB cross-sectional view of a resonant cavity-type recess waveguide microwave chemical plant.
도 5는 공진 공동형 리세스 도파관 마이크로파 화학 설비의 CC 단면도이다. 5 is a CC cross-sectional view of a resonant cavity-type recess waveguide microwave chemical plant.
도 6은 공진 공동형 리세스 도파관 마이크로파 화학 설비의 수평 단면도이다.6 is a horizontal cross-sectional view of a resonant cavity-type recess waveguide microwave chemical plant.
도 7은 공진 공동형 리세스 도파관 마이크로파 화학 설비의 AA 단면도이다. 7 is an AA cross-sectional view of a resonant cavity-type recess waveguide microwave chemical plant.
도 8은 리세스 도파관 쐐기형 정합로드 및 절연스트립의 3D 이미지로서, 도 8a는 쐐기형 정합로드의 3D 이미지이고, 도 8b는 절연스트립의 3D 이미지이다.8 is a 3D image of the recess waveguide wedge-shaped matching rod and insulation strip, FIG. 8A is a 3D image of the wedge-shaped matching rod, and FIG. 8B is a 3D image of the insulation strip.
도 9는 모드 변환기의 3D 이미지이다.9 is a 3D image of a mode converter.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명** Brief description of symbols for the main parts of the drawings *
1: 리세스 도파관1: recess waveguide
11: 좌측 금속 평면플레이트11: left metal flat plate
12: 우측 금속 평면플레이트12: Right metal flat plate
13: 쐐기형 정합 로드13: wedge mating rod
14: 절연 스트립14: insulation strip
15: 컷오프 도파관15: cutoff waveguide
2: 모드 변환기 및 커플링 오리피스 플레이트 2: mode transducer and coupling orifice plate
21: 제1 변환기21: first converter
23: 제2 변환기23: second converter
231: 제2 모드 변환기의 상부 절연 스트립 231: top insulation strip of the second mode converter
232: 제2 모드 변환기의 하부 절연 스트립232: lower insulation strip of the second mode converter
233: 제2 모드 변환기의 상부 쐐기형 정합 로드233: Upper wedge mating rod of second mode transducer
234: 제2 모드 변환기의 하부 쐐기형 정합 로드234: Lower wedge mating rod of second mode transducer
235: 제2 모드 변환기의 좌측 금속 평면 플레이트235: left metal flat plate of the second mode converter
236: 제2 모드 변환기의 우측 금속 평면 플레이트 236: Right metal flat plate of the second mode converter
3: 조절가능한 단락 플런저3: adjustable short circuit plunger
31: 제1 단락 플런저 금속 플레이트31: first short plunger metal plate
32: 제2 단락 플런저 금속 플레이트32: second short circuit plunger metal plate
33: 제3 단락 플런저 금속 플레이트33: third paragraph plunger metal plate
34: 제1 원형 절연 개스킷34: first circular insulating gasket
35: 제2 원형 절연 개스킷35: second circular insulating gasket
36: 중공 원형 관36: hollow circular tube
37: 금속 원형 막대37: metal round rod
38: 슬리브38: sleeve
39: 금속 평면 플레이트39: metal flat plate
4: 화학 반응기4: chemical reactor
41: 반응기41: reactor
42: 상단 커버42: top cover
43: 하단 커버43: bottom cover
44: 가진기44: with
45: 랭뮤어 탐침45: Langmuir probe
46: 가스 유입관46: gas inlet pipe
47: 가스 유출관47: gas outlet pipe
D0 : 원형 리세스 도파관 관통홀의 직경D 0 : Diameter of circular recess waveguide through hole
D1 : 절두체 관통홀의 외부 말단의 직경D 1 : Diameter of the outer end of the frustum through-hole
D2 : 화학 반응기의 직경D 2 : Diameter of chemical reactor
L0 : 원형 리세스 도파관의 길이L 0 : Length of circular recess waveguide
L1 : 제 1 변환기의 길이L 1 : Length of the first transducer
L2 : 제 2 변환기의 길이L 2 : Length of second transducer
H :리세스 도파관의 전체 높이 H: Overall height of recess waveguide
H1 :리세스 도파관 절연 스트립의 높이H 1 Height of recess waveguide insulation strip
H2 :리세스 도파관의 쐐기형 정합 로드의 베이스 높이H 2 Base height of wedge-shaped mating rod in recess waveguide
H3 :쐐기의 높이 H 3 Height of wedge
W1 :리세스 도파관의 쐐기형 정합 로드의 폭W 1 Width of wedge-shaped mating rod in recess waveguide
W2 :리세스 도파관의 평행 평면 플레이트 간의 거리W 2 Distance between parallel flat plates of recess waveguide
설명의 편의를 위하여, 본 발명은 두 부분으로 나뉘어 기술되어 진다: (1) 제1 부분은 공진 공동형 리세스 도파관 마이크로파 화학 설비를 실행하는 것을 포함한다. (2) 제2 부분은 공진 공동형 리세스 도파관 마이크로파 화학 설비를 이용하여 천연 가스로부터의 에텐 생산의 실행을 포함한다.For convenience of explanation, the present invention is described in two parts: (1) The first part includes implementing a resonant cavity-type recess waveguide microwave chemical plant. (2) The second part includes the execution of ethene production from natural gas using a resonant cavity-type recess waveguide microwave chemical plant.
1) 공진 공동형 1) resonant cavity type 리세스Recess 도파관wave-guide 마이크로파 화학 설비의 실행 Implementation of microwave chemical plant
공진 공동형 리세스 도파관 마이크로파 화학 설비는 리세스 도파관(1), 모드 변환기 및 커플링 오리피스 플레이트(2), 조절가능한 단락 플런저(3), 및 화학 반응기(4)를 포함하며, 본체로서 리세스 도파관(1)을 가지며, 모드 변환기 및 커플링 오리피스 플레이트(2)는 리세스 도파관(1)의 좌측에 장착되어 지며, 조절가능한 단락 플런저(3)는 리세스 도파관(1)의 우측에 장착되어 지며, 화학 반응기(4)는 리세스 도파관(1)의 맞은 편에 장착되어 진다.The resonant cavity-type recess waveguide microwave chemical plant comprises a recess waveguide 1, a mode converter and
리세스 도파관(1)은 좌측 금속 평면 플레이트(11), 우측 금속 평면 플레이트(12), 쐐기형 정합 로드(13), 절연 스트립(14), 및 컷오프 도파관(15)을 포함한다. 좌측 금속 평면 플레이트(11) 및 우측 금속 평면 플레이트(12)는 좌우 대칭형이며, 절연 스트립(14)은 각각 좌측 금속 평면 플레이트(11)와 우측 금속 평면 플레이트(12) 사이의 두 면에 배치되어 지며, 쐐기형 정합 로드(13)는 절연 스트립 내부 면에 배치되며, 좌측 금속 평면 플레이트와 우측 금속 평면 플레이트 사이에 공간이 형성되며, 리세스 도파관(1)의 관통홀은 리세스 도파관의 좌우측 금속 평면 플레이트 말단 면의 대칭 중심에 평면 플레이트의 길이방향을 따라 배치된다.The recess waveguide 1 comprises a left metal
모드 변환기 및 커플링 오리피스 플레이트(2)는 제1 변환기(21) 및 제2 변환 기(23)를 포함한다. 제1 변환기(21)는 원형 도파관 변환기에 비해 직사각형의 도파관이다. 제2 변환기(23)는 상부 절연 스트립(231), 하부 절연 스트립(232), 상부 쐐기형 정합 로드(233), 하부 쐐기형 정합 로드(234), 좌측 금속 평면 플레이트(235), 및 우측 금속 플레이트(236)를 포함하며, 상부 절연 스트립(231), 하부 절연 스트립(232), 상부 쐐기형 정합 로드(233), 하부 쐐기형 정합 로드(234), 좌측 금속 평면 플레이트(235), 우측 금속 평면 플레이트(236)에 의해 형성된 형상은 리세스 도파관과 일치한다. 리세스 도파관(1)과 연결된 중심부의 관통홀은 절두체의 형상이다. 절두체의 중심부 관통홀의 외부면은 제1 변환기(21)과 연결되어 진다. The mode transducer and
조절가능한 단락 플런저(3)는 제1 단락 플런저 금속 플레이트(31), 제2 단락 플런저 금속 플레이트(32), 제3 단락 플런저 금속 플레이트(33), 제1 원형 절연 개스킷(34), 원형 절연 개스킷(35), 중공 원형 관(36), 금속 원형 막대(37), 슬리브(38) 및 금속 평면 플레이트(39)를 포함하며, 여기서, 제1 단락 플런저 금속 플레이트(31), 제2 단락 플런저 금속 플레이트(32), 제3 단락 플런저 금속 플레이트(33), 제1 원형 절연 개스킷(34), 및 제2 원형 절연 개스킷(35)은 서로 이격되어 있으며, 이의 중심은 중공 원형 관(36)의 말단에 고정되며, 중공 원형 관(36)의 다른 말단부는 슬리브(38)안에 배치되며, 슬리브(38)는 금속 평면 플레이트(39)의 중심에 고정되어 지며, 금속 원형 막대(37)는 중공 원형 관(36)의 중간부 내에 있다.The
화학 반응기(4)는 저-손실 물질로부터 제조된 반응기(41), 상단 커버(42), 하단 커버(43), 가진기(44), 랭뮤어 탐침(45), 가스 유입관(46) 및 가스 유출 관(47)을 포함하며, 여기서, 상단 커버(42), 가스 유입관(46), 하단 커버(43), 및 가스 유출 관(47)은 각기 화학 반응기(41)의 두 말단에 있으며, 가진기(44)는 화학 반응기(41)의 중간부에 위치하며, 랭뮤어 탐침(45)은 화학 반응기(41)안에 장착되며, 상단 커버(42)에 고정된다.The chemical reactor 4 comprises a
(1) (One) 리세스Recess 도파관wave-guide
여기서는 원형 리세스 도파관을 예로 기술한다. 기계가공이나 압축 성형과 같이, 시트 프레스를 사용한 몇 가지 제조방식이 있다. 기술의 편의상 하기 방법을 사용하여 설명하기로 한다. 본 발명은 도 2의 BB에 나타낸 설계안으로 이루어 질 수 있으며, 리세스 도파관(1)의 제조방식은 다음과 같다. 우수한 전도체, 예를 들면 구리, 황동, 알루미늄 합금으로 만들어진 2개의 금속 평면 플레이트를 동일한 크기로 가공하고, 여기서, 평면 플레이트의 길이는 공정에서 허용되는 한 실제적 요구 수준에 따라 결정되며, 평면 플레이트의 높이 H와 폭 W는 작용 파장(λ)과 연관되어, H = 10λ-30λ, W = 0.35λ-1.26λ 이고, 금속 평면 플레이트의 양쪽 모서리는 나사에 의해 고정되며, 두 평면 플레이트가 만나는 경계선을 중앙선으로 사용하여 길이방향을 따라 상단면과 하단면에 각각 (H1+H2)=0.15λ-1.5λ의 높이, W1 = W2 + 2W3 = 0.5λ-2.313λ의 폭의 크기를 가지는 슬롯들을 밀링작업하고, 슬롯의 길이는 원형 리세스 도파관의 길이 L0와 동일하며, 여기서 H1=0.1λ-1λ, H2=(1/2)H1, W2=0.4λ-1.313λ, W3=0.05λ-0.5λ이고, 관통홀을 길이방향을 따라 말단 면의 대칭 중심에 직경 D0=0.62λ-2.02λ이 되도록 보링작업을 실시하고, 고정나사를 제거하면, 각각의 금속평면 플레이트는 한쪽면에 폭 W5=(1/2)W2 의 밀링된 슬롯을 가지게 된다. 가공된 두 개의 금속평면 플레이트는 도 2의 BB에 나타낸 리세스 도파관의 왼쪽의 금속평면 플레이트(11)와 오른쪽의 금속 평면 플레이트(12)이다.Here, the circular recess waveguide is described as an example. There are several manufacturing methods using sheet presses, such as machining and compression molding. For convenience of description, the following method will be used. The present invention can be made with the design shown in BB of FIG. 2, and the manufacturing method of the recess waveguide 1 is as follows. Two metal flat plates made of good conductors, for example copper, brass and aluminum alloys, are machined to the same size, where the length of the flat plate is determined according to the practical requirements as long as the process allows, and the height of the flat plate H and width W are related to the working wavelength (λ), H = 10λ-30λ, W = 0.35λ-1.26λ, and both edges of the metal flat plate are fixed by screws, and the center line of the boundary line where the two flat plates meet respectively in the lower surface and the upper end face along the longitudinal direction by using the (H 1 + H 2) = height of 0.15λ-1.5λ, W 1 = W 2 + 2 W 3 Milling slots having a width of 0.5λ-2.313λ, the length of the slot being equal to the length L 0 of the circular recess waveguide, where H 1 = 0.1λ-1λ, H 2 = (1/2 ) H 1 , W 2 = 0.4λ-1.313λ, W 3 = 0.05λ-0.5λ, and boring is performed so that the through hole has a diameter D 0 = 0.62λ-2.02λ at the center of symmetry of the end face along the longitudinal direction. When the screw is removed, each metal flat plate has a milled slot of width W 5 = (1/2) W 2 on one side. The two metal plane plates processed are the
리세스 도파관(1)의 쐐기형 정합 로드(13)는 금속 평면 플레이트의 모서리에 전달되는 전자기파를 흡수하여 마이크로파의 누출을 감소시켜주는 주요 부분이다. 쐐기의 높이는 사용되는 전자기파 파장의 1/2의 정수배로서, H3=0.5λ-3λ이다. 쐐기형 정합 로드는 절연 스트립(14)의 안쪽 면에 맞추어져 있다. 상부와 하부 절연 스트립들은 좌측 금속 평면 플레이트(11)와 우측 금속 평면 플레이트(12)의 간격 조정을 위해 사용되며, 원형 리세스 도파관과 동일한 길이를 가지며, 세라믹과 같은 절연물질로 만들어 질 수 있다. 절연 스트립에는 화학 반응기 내로의 가스 유입과 유출을 위한 홀들과 쐐기형 정합 로드로의 물 유입과 유출을 위한 홀들이 있다. 동력이 약할 때는, 쐐기형 정합된 드라이 로드가 사용될 수 있는데, 이는 워터 로드와 동일한 크기와 형태를 가지며, 마이크로파를 강하게 흡수할 수 있는 물질(흑연)으로 만들어져 있다.The wedge-shaped
도 2에서 H4=0.05λ-0.5λ이며 W4=0.45λ-1.364λ이다.In FIG. 2, H 4 = 0.05λ-0.5λ and W 4 = 0.45λ-1.364λ.
플라즈마 스펙트럼 관찰 홀은 리세스 도파관(1)의 관통된 홀의 측면 벽에 열려 있으며, 홀의 직경은 0.05λ-0.1λ 이내이다. 100-200 db 이내의 감쇠값을 가지는 컷오프 도파관(15)은 홀의 바깥에 맞도록 되어있으며, 도 2의 AA에 나타나 있 다. 홀에서 유출되는 마이크로파 에너지는 국가표준보다 낮다. 홀은, 석영 반응관 안에서 플라즈마에 의해 생성되는 빛을 관찰할 수 있고, 플라즈마의 온도나 플라즈마에 의해 생성되는 스펙트럼을 측정할 수 있도록 제작되어야 한다.The plasma spectrum observation hole is open in the side wall of the through hole of the recess waveguide 1, and the diameter of the hole is within 0.05λ-0.1λ. A
(2)(2) 모드mode 변환기와 커플링 Coupling with transducer 오리피스Orifice 플레이트 plate
모드 변환기와 커플링 오리피스 플레이트(2)는 도 2에 나타나 있으며, 두 개의 부분으로 구현된다. 제1 변환기(21)의 제조는 다음과 같이, 마이크로파 공급원의 사용 주파수에 따라 선택된 직사각형 도파관 말단의 크기와, D1=0.6λ-0.9λ의 원형 도파관 말단의 직경을 갖는 왁스 몰드를 준비하여, 양끝면의 대응하는 지점들을 직선들로 연결하고, 일렉트로캐스팅 기술을 사용하여 구리 도파관에 대응하게 맞추고, 왁스 몰드를 녹인 후 표면 연마를 하고, 플랜지(22)를 직사각형 도파관 말단에 맞추고, 원형 도파관 말단의 베이스 보링을 하고, 나사를 사용하여 제2 변환기에 고정시키며, 상기에 있어서 제1 변환기의 전체길이는 L1=1λ-3λ이다. 제2 변환기(23)의 제조는 L2=1λ-3λ의 길이를 가지는 두 개의 금속평면 플레이트(구리,황동, 알루미늄 합금)을 선택하고, 두 금속 평면 플레이트의 전체 폭은 2W=0.35λ-1.26λ, 전체 높이는 H=10λ-30λ이며, 나사를 사용하여 두 금속 평면 플레이트의 모서리를 고정하고, 홀 내부에 말단 면의 대칭중심에 한쪽 말단이 D1=0.6λ-0.9λ의 직경을 가지고, 다른 한쪽 말단이 원형 리세스 도파관 관통홀의 직경과 동일한 D0=0.62λ-2.02λ의 직경을 가지는 절두체를 제작하고(여기서 λ는 파장), 상기 나 사를 제거하여 두 조각으로 분리한다. 각 금속평면 플레이트의 슬롯의 일측면에 쐐기형의 홈을 파내고, 여기서, 쐐기의 높이는 금속 평면 플레이트의 길이 L2 와 동일하게 하고, 쐐기의 바닥은 직사각형으로 하며, 홈의 긴쪽의 길이는 금속 평면 플레이트의 높이 H와 동일하게 하고 짧은 쪽의 길이는 W5=(1/2)W2=0.2λ-0.656λ이고, 가공된 표면은 부드러워야 한다. 세라믹 절연 물질을 사용하여, 제2 변환기의 상부 절연 스트립(231)과 하부 절연 스트립(232)인 두 개의 작은 세라믹 쐐기를 가공하며, 여기서, 세라믹 쐐기의 높이는 금속 평면 플레이트의 길이 L2 와 동일하게 하고, 세라믹 쐐기의 바닥은 역시 직사각형으로 하며, 쐐기의 긴쪽의 길이는 W2=2W5 , 짧은 쪽의 길이는 H1=0.1λ-1λ로 한다. 제2 변환기의 각각 상부/하부 쐐기형 정합 로드(233, 234)를 제2 변환기의 상부/하부 절연 스트립(231, 232)의 안쪽 면에 맞추고, 이는 리세스 도파관에서의 쐐기형 정합 로드와 유사한 워터 로드이거나 드라이 로드이며, 여기서 쐐기의 높이는 H3이다. 상부와 하부 세라믹 절연 스트립을 정합 로드와 같이 제2 변환기의 좌측 금속 평면 플레이트(235)와 우측 금속평면 플레이트(236)의 사이에 배치하고, 나사로 고정하고, 원형 리세스 도파관(1)과 모드 변환기(2)를 연결한다.The mode converter and
커플링 오리피스 플레이트(24)의 형태는 선택한 표준 직사각형 도파관의 플랜지와 동일한 크기이며 두께는 0.005λ-0.1λ이다. 만약 원형 홀이 대칭중심에서 열려 있다면, 홀의 직경은 직사각형 도파관의 높이보다 작거나 같고, 만약 직사각 형 커플링 홀이 대칭중심에서 열려 있다면, 직사각형 홀은 직사각형 도파관의 폭보다 작거나 같으며 높이는 직사각형 도파관의 높이보다 작거나 같다. 만약 커플링 오리피스 플레이트가 폭 방향과 평행한 방향으로 좁은 슬릿을 가지고 있다면, 용량성 다이어프램이 형성된다. 만약 커플링 오리피스 플레이트가 높이 방향과 평행한 방향으로 좁은 슬릿을 가지고 있다면, 유도성 다이어프램이 형성된다. 커플링 오리피스는 원형, 직사각형 혹은 다른 형태일 수 있다. 슬릿과 오리피스의 크기는 측정을 통해 최적화될 수 있다.The shape of the
(3) 조절가능한 단락 (3) adjustable short circuit 플런저plunger
조절가능한 단락 플런저(3)는 리세스 도파관(1)의 말단 면의 중공 패턴의 형태와 동일한 형태를 지닌 금속 플레이트로 형성된다. 예를 들면, 제1 단락 플런저 금속 플레이트(31), 제2 단락 플런저 금속 플레이트(32), 제3 단락 플런저 금속 플레이트(33), 및 적용된 원료는 구리, 황동, 알루미늄 합금일 수 있다. 단락 금속 플레이트의 두께는 1/4 파장이다. 관통홀은 플런저가 중공 원형 관(36)에 맞추어지도록 단락 플런저 금속 플레이트의 중심에 만들어 진다. 금속 평면 플레이트와 도파관은 일정한 간격을 띄운다. 제1 원형 절연 개스킷(34) 및 1/4λ의 두께를 갖는 제2 원형 절연 개스킷(35)은 분리되도록 단락 플런저 금속 플레이트 사이에 배치되어 진다. 개스킷의 직경은 리세스 도파관의 관통홀의 직경 D0 의 0.8 배이다. 제1 단락 플런저 금속 플레이트(31), 제1 원형 절연 개스킷(34), 제2 단락 플런저 금속 플레이트(32), 제2 원형 절연 개스킷(35), 제3 단락 플런저 금속 플레이 트(33)는 단락 금속 플레이트의 임의적 움직임을 방지하기 위하여 단락 금속 플레이트와 중공 원형 관의 외부 직경이 단단하게 맞도록 중공 원형 관(36)에 순차적으로 맞춘다. 금속 원형 막대(37)는 중공 관(36) 안에 배치되어 지고, 막대의 직경은 중공 원형 관의 직경과 동일하다. 원형 관 말단 면, 원형 막대 말단 면 및 제1 단락 플런저 금속 플레이트(31)는 동일 평면 내에 배치되어 진다.The
금속 평면 플레이트(39)는 리세스 도파관(1)의 말단 면에 맞추어 장착되어 진다. 플레이트의 대칭 중심에 하나의 홀을 뚫고, 그 홀을 통과시킨 슬리브(38)를 금속 평면 플레이트(39)에 고정시킨다. 단락 플랜저 부품의 중공 원형 관(36)은 슬리브(38)를 통과하고 고정된 상태로 슬라이드 안에 배치된다. 중공 원형 관(36)은 리세스 도파관(1) 안에 평행하게 단락 플런저(3)를 움직이도록 기계적 조절 메커니즘과 연결되어 진다.The metal
(4) 화학 반응기(4) chemical reactor
반응기(41)는 석영, 고품질의 세라믹 또는 마이크로파를 흡수하지 않는 비금속 물질과 같은 저-손실 물질로부터 만들어진다. 저-손실 물질로부터 만들어진 반응기(41)는 원형 관 형 또는 공진 공동에 의해 설비되어 질 수 있는 임의적 형태일 수 있다. 화학 반응기의 실행을 설명하기 위해 이하 실시예를 기술할 것이다.The
저-손실 물질로 제조되는 반응기(41)는 석영으로 된 원형 관형으로 제조된다. 반응기의 직경은 도 2의 BB와 같이 리세스 도파관(1)의 평행 평면 플레이트 사이의 거리 W2 보다 더 짧도록 직경 D2가 된다. 반응기의 높이는 리세스 도파 관(1)의 전체 높이보다 다소 높게 한다. 반응기(41)는 진공-프루프(vacuum-proof) 상단 커버(42)와 맞추어진 하나의 말단을 가지며, 상기 상단 커버(42)는 공급된 가스 유입관(46)과 연결되어 있다. 반응기(41)의 다른 말단은 진공-프루프 하단 커버(43)와 맞추어 진다. 상기 하단 커버는 생산 가스 유출관(47)과 연결되어 있고 더욱 순차적으로 응축 트랩 및 진공 펌프와 연결되어 진다.The
가진기(44)는 석영 원형 관 반응기(41) 안에 배치되어 진다. 가진기는 철, 텅스텐, 혹은 여타 고온 내성의 금속 혹은 흑연과 같은 비금속 물질로부터 만들어질 수 있다. 가진기는 가스 방출에 유리한 임의적인 형태일 수 있다. 랭뮤어 탐침(45)은 저-손실 물질로 만들어진 반응기(41)안에 배치되고, 리세스 도파관의 중심 원형 관통홀 위에 1λ-3λ 위치에 놓여지며, 상단 커버(42)에 고정되어 진다.The
앞서 언급되어진 부분을 공진 공동형 리세스 도파관 마이크로파 화학 설비를 만들기 위하여 도 2 및 도 1에 따라 조립하고 조립품은 다음을 포함한다:The previously mentioned parts are assembled according to FIGS. 2 and 1 to make a resonant cavity-type recess waveguide microwave chemical plant and the assembly includes:
(1) 각 부분의 기계 오일의 제거 및 세척;(1) removal and washing of machine oil in each part;
(2) 도 2에 따라 제1 단락 플런저 금속 플레이트(31), 제2 단락 플런저 금속 플레이트(32), 제3 단락 플런저 금속 플레이트(33), 제1 원형 절연 개스킷(34), 제 2 원형 절연 개스킷(35), 중공 원형 관(36) 및 금속 원형 막대(37)를 조립한 것을 포함하는 단락 플런저(3)의 각 부분의 조립;(2) According to FIG. 2, the first short
(3) 좌측 금속 평면 플레이트(11), 우측 금속 평면 플레이트(12), 쐐기형 정합 로드(13), 절연 스트립(14), 및 도 2에 따른 리세스 도파관(1)의 단락 플런저(4)의 배치, 나사의 고정, 및 원형 관의 화학 반응기를 통과하는 절연 스트립 위 의 대응 홀들의 보존;(3)
(4) 제1 모드 변환기(21) 및 제2 모드 변환기(23)의 연결, 제2 모드 변환기(23)의 타단부를 리세스 도파관에 연결, 제1 모드 변환기(21)의 타단부를 직사각형의 도파관 플랜지(22)로 고정, 직사각형의 도파관 플랜지(22)의 타단부를 커플링 다이어프램(24)에 연결;(4) connection of the
(5) 리세스 도파관(1)의 타단부에 나사를 사용하여 슬리브(38)를 구비한 금속 평면 플레이트(39)를 고정, 단락 플런저(3)의 중공 원형 관(36)이 금속 평면 플레이트(39)의 슬리브(38)를 통과 및 기계적 조절 메커니즘과 연결되도록 하고, 여타 장애물 없이 평행하게 리세스 도파관(1) 내에서 단락 플런저(3)가 이동가능하게 함;(5) A metal circular plate (39) having a sleeve (38) is fixed to the other end of the recess waveguide (1) by a screw, so that the hollow circular tube (36) of the short circuit plunger (3) is a metal flat plate ( Allows the
(6) 가진기(44)의 반응기(41)로의 배치;(6) placement of
(7) 도 2에 따라, 반응기(41)가 리세스 도파관(1)의 하나의 윙을 통과하여 리세스 도파관(1)의 다른 윙으로부터 리세스 도파관 밖으로 연장되도록 하고, 반응기(41)의 일단부에 진공-프루프(vacuum-proof) 상단 커버(42)를 맞추고, 공급 가스 유입관(46)을 상단 커버(42)에 연결, 반응기(41)의 타단부에 진공-프루프 하단 커버(43)를 맞추고, 하단 커버를 생산 가스 유출관(47)에 연결;(7) According to FIG. 2, the
(8) 도 1에 따라, 유량계를 사용하여 상단 커버(42) 위의 공급가스 유입관(46)을 천연가스 파이프라인(혹은 메탄 실린더)에 연결하고, 응축 트랩을 통하여 하단 커버(43) 위의 생산 가스 유출관(47)을 진공 펌프에 연결;(8) According to FIG. 1, a flow meter is used to connect the feed
(9) 도 2에 따라, 상단 커버(42) 위에 보존된 홀을 통해서 랭뮤어 탐침(45) 을 원하는 위치로 삽입하고, 연결부위의 기밀성을 유지하면서 상단 커버(42)에 고정;(9) According to FIG. 2, the
(10) 도 2에 따라, 컷오프 도파관(15)을 리세스 도파관의 좌측 금속 평면 플레이트(11)의 관측홀에 연결;(10) According to FIG. 2, the
(11) 순환장치 및 방향성 결합기를 통해 마이크로파 공급원을 커플링 다이어프램(24)과 연결하고, 동력 표시계를 방향성 결합기의 두 개의 보조 암에 연결하고, 공진 상태의 공진 공동을 만들기 위해 단락 플런저를 조절;(11) connecting the microwave source with the
이로써, 천연 가스로부터 에텐의 생산을 위한 공진 공동형 리세스 도파관 마이크로파 화학 설비가 완벽하게 조립되어 사용가능한 상태로 준비된다. Thus, the resonant cavity-type recess waveguide microwave chemical plant for the production of ethene from natural gas is fully assembled and ready for use.
공진 공동형 Resonant cavity type 리세스Recess 도파관wave-guide 마이크로파 화학 설비를 이용하여 천연 가스로부터 From microwave gas using microwave chemical equipment 에텐을Ethen 생산하는 과정은 하기 사항을 포함한다: The production process includes:
(1) 천연가스로부터 고 단일 통과 에텐 수득을 위하여 필수적인 큰 규모의 공진 공동형 리세스 도파관 마이크로파 화학 설비의 채택; 여기서, 작용 주파수는 0.3-22GHz이고 마이크로파 공급원은 연속파 또는 펄스파를 채택할 수 있다.(1) the adoption of large scale resonant cavity-type recess waveguide microwave chemical equipment essential for obtaining high single pass ethene from natural gas; Here, the operating frequency is 0.3-22 GHz and the microwave source may adopt continuous or pulsed waves.
(2) 공진 공동형 리세스 도파관 마이크로파 화학 설비를 공진상태에 두고 반응기(41)를 진공상태로 함;(2) placing the resonant cavity-type recess waveguide microwave chemical plant in a resonant state and placing the
(3) 적절한 보조 가스의 선택; 여기서는 수소 가스가 보조 가스로서 선택됨.(3) the selection of a suitable auxiliary gas; Hydrogen gas is selected here as auxiliary gas.
(4) 공급 메탄 (천연 가스) 및 보조 수소 가스의 압력을 1-20 atm으로 조절하고, 서로 다른 가스의 유속 측정을 위한 서로 다른 유량계를 통하여 이들 가스를 각각 반응기로 투입;(4) regulating the pressures of the feed methane (natural gas) and auxiliary hydrogen gas to 1-20 atm and feeding these gases into the reactor respectively through different flowmeters for measuring the flow rates of different gases;
(5) 공급 메탄 (천연 가스) 및 보조 수소 가스 유속 비를, 예를 들어 메탄/수소 가스의 비가 50:1-1:20이 되도록 채택;(5) adopting feed methane (natural gas) and auxiliary hydrogen gas flow rate ratios such that the ratio of methane / hydrogen gas is 50: 1-1: 20;
(6) 가스 혼합 캐비넷에서 공급 메탄(천연 가스) 및 보조 수소 가스를 혼합하고, 공급 가스 유입관(46) 및 상단 커버(42)를 통해서 공진 공동형 리세스 도파관 마이크로파 화학 설비의 석영 반응관으로 도입;(6) Mixing feed methane (natural gas) and auxiliary hydrogen gas in a gas mixing cabinet and through the feed
(7) 석영 반응관 내 혼합 가스의 전체 압력을 1x10-4 - 20 atm으로 조절, 석영 반응관 내의 혼합 가스의 전체 압력이 공급 메탄 (천연 가스) 및 보조 수소 가스의 압력보다 약간 낮게 되도록 조절;7, the quartz reaction tube, the total pressure of the mixed gas 1x10 -4 - adjusted to adjusted to 20 atm, a little lower than the pressure of the total pressure of the mixed gas in the quartz reaction tube, the feed methane (natural gas) and auxiliary hydrogen gas;
(8) 마이크로파 공급원의 전원을 켜고, 보조 가스의 타입, 유속비, 및 혼합가스의 압력에 따라 마이크로파 유출 전력을 몇십 와트에서 몇백 킬로와트로 조절하고, 석영 반응관 내 혼합가스가 방전되도록 하여 마이크로파 플라즈마를 생성하고, 상기에 있어서 방전 조건은 랭뮤어 탐침 및 컷오프 도파관으로부터 알 수 있다;(8) Turn on the microwave source, adjust the microwave effluent power from tens of watts to several hundred kilowatts according to the type of auxiliary gas, flow rate, and pressure of the mixed gas, and discharge the mixed gas in the quartz reaction tube to discharge the microwave plasma. Where the discharge conditions are known from Langmuir probes and cutoff waveguides;
(9) 다음으로, 목적하는 생산물을 얻기 위한 마이크로파 출력 전력을 미세 조정한다. 상기에 있어서 목적하는 액상 에텐 생산물은 응축 트랩 내에서 수집되어 질 수 있다.(9) Next, finely adjust the microwave output power to obtain the desired product. In the above, the desired liquid ethene product can be collected in a condensation trap.
메탄 (천연 가스)으로부터 에텐 생산의 고 단일 통과 수율을 보장하기 위한 핵심 요소는 조절된 공진 공동형 리세스 도파관 마이크로파 화학설비의 선택, 마이크로파의 전력 세기, 가스 압력, 메탄(천연 가스)과 혼합된 가스 (예를들면, 수소) 의 다양성, 및 메탄 (천연 가스) 및 보조적 수소 가스의 유속비를 포함한다.Key elements to ensure a high single pass yield of ethene production from methane (natural gas) are the choice of controlled resonant cavity-type recess waveguide microwave chemicals, the power of microwaves, gas pressure, mixed with methane (natural gas) Variety of gases (eg hydrogen) and flow rate ratios of methane (natural gas) and auxiliary hydrogen gas.
다음에 두 가지 실시예를 기술한다. 작업 압력이 동일한 경우에도, 서로 다른 입력 전력(연속파) 및 서로 다른 메탄/수소 비율 하에 서로 다른 생성물이 얻어질 수 있다. 이는 파라미터의 변화가 생성물에 중요한 영향을 미친다는 것을 증명한다.Two embodiments are described next. Even when the working pressures are the same, different products can be obtained under different input power (continuous wave) and different methane / hydrogen ratios. This proves that the change in parameters has a significant effect on the product.
실시예Example 1 One 메탄으로부터 From methane 에텐의Ethen 생산 production
메탄:수소 = 23 L/min : 1.5 L/minMethane: Hydrogen = 23 L / min: 1.5 L / min
작업 압력 = 1 atmWorking pressure = 1 atm
입력 전력=4.2 KW (연속파)Input power = 4.2 KW (continuous wave)
반응 결과Reaction result
메탄 단일 통과 전환 비율: 99.58%Methane single pass conversion rate: 99.58%
에텐 단일 통과 수율: 98.53%Ethene single pass yield: 98.53%
에텐 단일 통과 선택도: 98.945%Ethene single pass selectivity: 98.945%
실시예Example 2 메탄으로부터 에탄의 생산 Production of ethane from 2 methane
메탄: 수소 = 23 L/min : 0.7 L/minMethane: hydrogen = 23 L / min: 0.7 L / min
작업 압력 = 1atmWorking pressure = 1atm
입력 전력 = 4.0 KW (연속파)Input power = 4.0 KW (continuous wave)
반응 결과Reaction result
메탄 단일 통과 전환 비율: 96.5%Methane single pass conversion rate: 96.5%
에탄 단일 통과 수율: 96.4%Ethane single pass yield: 96.4%
에탄 단일 통과 선택도: 99.9%Ethane Single Pass Selectivity: 99.9%
결론: 에텐 및 에탄은 입력 전력, 메탄/수소의 비율, 및 작업 압력 등과 같은 다양한 작업 파라미터 하에서 본 발명의 공진 공동형 리세스 도파관 마이크로파 화학 설비에 의해 얻어질 수 있다. Conclusion: Ethene and ethane can be obtained by the resonant cavity-type recess waveguide microwave chemical plant of the present invention under various working parameters such as input power, methane / hydrogen ratio, and working pressure.
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